晶闸管直流调速系统变流器课程设计王盛.doc

摘要由于直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛的应用于调速性能要求较高的场合中。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合中，直流调速系统发挥的重要的作用。本次课程设计是利用两组三相桥式全控整流系统的正反并联来实现晶闸管直流调速系统变流器的连续调速和可逆运行。当使正组变流器处于整流状态时，直流电动机正向运行；当使反组变流器处于整流状态时，直流电动机就能反向运行。 目 录1 晶闸管直流调速系统变流器设计方案介绍31.1 设计目的31.2 设计方案介绍31.2.1 设计任务及指标要求32 主电路的设计4 2.1 主电路的工作原理及原理图4 2.2 参数计算9 2.2.1 整流变压器的计算92.2.2 晶闸管的元件选择92.3 保护电路103 元器件清单124 总结13参考文献141 晶闸管直流调速系统变流器设计方案介绍1.1 设计目的电力电子课程设计是电气自动化专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，是走向工作岗位、从事专业技术之前的一项综合性技能训练，对学生的职业能力培养和实践技能训练具有相当重要的意义。主要目的在于：1、通过设计提高学生综合运用知识的能力，巩固和扩展学生的知识领域、培养学生严谨的科学态度和提高独立工作的能力；2、通过设计使学生初步掌握电力电子系统设计方法，熟悉国家有关技术和经济方面的方针政策和安全规程，训练使用设计手册的技术资料的能力；3、 培养学生利用计算机编写技术和绘制设计图样的能力。1.2 设计方案介绍1.2.1 设计任务及指标要求（1） 电网供电电压为380V；（2） 电网电压波动+5%-10%；（3） 要求连续调速，可逆运行。 (4) 调速比D=15，电流脉动S1<=10%,静差率S<=1%。1.2.2 设计内容电动机的额定功率PN=60KW,额定电压UN=220KW,额定电流IN=305A.试设计选择晶闸管电流电动机调速系统的主电路。 2 主电路的设计2.1 主电路的工作原理及原理图1 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的原理图如图2.1，此电路由变压器和6个晶闸管以及负载组成。变压器二次侧接成星形，而一次侧接成三角形，是为了避免三次谐波电流入电网。其中将阴极连接在一起的三个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT2、VT4、VT6）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按1到6的顺序导通，为此将晶闸管按图2.1所示的顺序编号，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。图2.1 三相桥式全控整流电路图下面将对其原理进行说明：假设将电路的晶闸管换做二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角为0°时的情况，此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通，而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接的交流电压值最低的一个导通。这样得到其波形图如下：图2.2 =0°时的波形当为0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相，由图中的变压器二次绕组相电压与线电压波形的对应关系可以看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。同理可得为30°和90°时的波形如下：图2.3 =30°、90°时的电流电压波形2.2 主电路及其原理主电路是由正组和反组并联在电动机上来实现电动机的可逆运行，正组提供正向电压，实现电动机正转；反组提供反向电压，实现电动机反转。图2.4 主电路图2.5 工作原理图（1） 工作原理其工作原理如下图2.5所示。a.第1象限，正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，1<90°，EM<Ud（下标1表示正组桥，下标2表示反组桥）a b.第2象限，正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，2<90°( >90°)，EM>Ud。bc.第3象限，反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，2<90°，EM<Ud。d.第4象限，反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态， 3<90°( 3>90°) ， EM>Ud。（2） 由正转到反转的过程 从1组桥切换到2组桥工作，并要求2组桥在逆变状态下工作，电动机进入第2象限（之前运行在第1象限）作正转发电运行，电磁转矩变成制动转矩，电动机轴上的机械能经2组桥逆变为交流电能回馈电网。 改变2组桥的逆变角，使之由小变大直至=/2（n=0），如继续增大，即</2，2组桥将转入整流状态下工作，电动机开始反转进入第3象限的电动运行。 电动机从反转到正转，其过程则由第3象限经第4象限最终运行在第1象限上。 （3） 控制方案根据对环流的不同处理方法，反并联可逆电路又可分为几种不同的控制方案，如配合控制有环流（即=工作制）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。 对于=配合控制的有环流可逆系统，当系统工作时，对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证=的配合控制关系，两组变流器的输出电压平均值相等，且极性相抵，之间没有直流环流；但输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流，为防止环流只经晶闸管流过而使电源短路，必须串入环流电抗器LC限制环流。 工程上使用较广泛的逻辑无环流可逆系统不设置环流电抗器，控制原则是：两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不存在环流；变流器之间的切换过程是由逻辑单元控制的，故称为逻辑控制无环流系统。 2.2 参数计算2.2.1 变压器的计算电动机负载的额定电流为305A，所以变压器二次侧额定电流为： I2N=23Id=0.816Id=0.816×305=248.9A变压器的容量为： S=U2×I2=110248.9=27.4KVA 变压器参数为：三相变压器，S=27.4KVA，U1NU2N=380110V, I2N=248.9A，采用d,Y连接，所以其型号为: TDGC-50KVA.2.2.2 晶闸管的元件选择在三相桥式全控整流电路中，整流输出电压的波形在一个周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/6周期）进行计算即可。于是可得到当整流输出电压连续时的有效值：当03时，U=133+23+6U2sint2dt =U23+932cos2 2.1=133+6U2sint2dt =U26-9+92sin（23+2）当32时，U 2.2 所以，当直流电动机正常运行时，即U=UN=220V, 根据公式2.2、2.3可得触发角应为=33.12°。晶闸管承受的最大正、反向电压为 UM=6U2=2.45×110=269.5V晶闸管的额定电压为 U(VT)N=23URM=539808.5V晶闸管的额定电流为 I(VT)N=13IN×1.521.57=13×305×1.521.57=504.705672.94A综上所得，应选择晶闸管的型号为：KK800.2.3保护电路1 晶闸管的过压保护晶闸管的过压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向电压超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅是电路工作失常，并且多次硬开关也会损坏管子。因此必须抑制晶闸管可能出现的过电压，这里我们采用阻容保护。图2.6容电2 晶闸管的过流保护 电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。图2.6给出了常用的过流保护措施。图2.7电力电子系统中常用的过流保护方案3 主电路的保护我们不可能从根本上消除生产过程过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基本思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非线性元件限制过电压的幅度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。所以我们选用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出来的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来，由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。其结构如下：图2.8RC吸收电路3 元器件清单 表3.1 整流器件清单器件名称规格型号数量（单位）三相变压器TDGC-50KVA2个晶闸管KK8006个电感700mL1个电阻20012个电解电容20pF12个 直流电动机 Z4-180-411个4 总结通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。参考文献 王兆安，黄俊.电力电子技术M.第四版.北京：机械工业出版社，2010.54-64 唐介.电机与拖动M.第二版. 北京：高等教育出版社，2007.60-64 3.浣喜明、姚为正电力电子技术高等教育出版社，2000 4莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，200013